Der Mukoviszidose e.V. fördert viele unterschiedliche Forschungsprojekte zur Mukoviszidose. Mit der neuen Reihe „EinBlick in die Forschung“ möchten wir mit Euch einen Blick in die Projekte der von uns geförderten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werfen. Heute stellen wir Euch das neue Projekt von Prof. Michael Schlierf vor, das zum Ziel hat, eine automatisierte Screening-Plattform zur Suche nach geeigneten CFTR-Modulatoren aufzubauen. Das Projekt wurde gerade in die Forschungsförderung des Mukoviszidose e.V. aufgenommen und wird mit 163.800 Euro unterstützt.

Welche Frage(n) soll Ihr Projekt beantworten?

In den letzten Jahren gab es große Fortschritte bei der Entwicklung von Medikamenten für die direkte Behandlung mancher Formen von Mukoviszidose. Es wurden beispielsweise Modulatoren (z.B. Lumacaftor) entwickelt, die bei der weitverbreitetsten Mutation delF508 vielversprechende Therapieergebnisse erzielen. Modulatoren sind kleine pharmakologische Verbindungen, die die Funktion und Struktur des Proteins CFTR unterstützen. Unser Projekt soll den Wirkmechanismus dieser pharmakologischen Verbindungen auf Teilstrukturen des CFTR-Proteins durch die Etablierung eines erweiterten Screening-Tests untersuchen. Allerdings legen wir den Fokus nicht auf die weitverbreitetste Mutation delF508, sondern auf sogenannte seltene Mutationen, vor allem in den Transmembrandomänen des CFTR-Proteins[1]. In unseren Modellsystemen, die einzelne Transmembransegmente des CFTR-Proteins nachbilden, wollen wir mit unserem neuen Test die Fehlfaltung charakterisieren und die Struktur-Wirkungsbeziehung einiger Modulatoren und anderer pharmakologischer Verbindungen untersuchen und potentiell neue Verbindungen für seltene Mutationen entdecken.

Warum sind diese Fragen wichtig?

Mutationen im CFTR-Gen lösen Mukoviszidose aus, diese Mutationen haben auf molekularer Ebene unterschiedliche Konsequenzen für das zugehörige CFTR-Protein – von reduzierter Kanalfunktion an der Zellmembran über Fehlfaltung, bis hin zu fehlender Expression[2]. Mittlerweile sind rund 2.100 verschiedene Mutationen (CFTR1-Datenbank, 21.07.2020) bekannt, ein Großteil dieser sind Missense-Mutationen[3], welche häufig mit einer Fehlfaltung des Proteins durch den Austausch eines Aminosäurerests verbunden sind. Die weitverbreitetsten Mutationen bekommen mittlerweile viel Aufmerksamkeit, allerdings ist es herausfordernd, seltene Mutationen (wenige Patienten) mit klassischen Methoden zu untersuchen. Mit unserem Assay hoffen wir Kandidaten für eine weiterführende Untersuchung auf zellulärer, organoider[4] oder Modellorganismus-Ebene für jene seltenen Mutationen zu identifizieren.

Welchen Nutzen erwarten Sie für CF-Patienten?

Unser Projekt arbeitet nicht unmittelbar mit CF-Patienten. Allerdings versuchen wir wichtige Grundlagen von seltenen Mutationen in CF-Patienten zu verstehen und vielversprechende Kandidaten an kleinen pharmakologischen Molekülen zu identifizieren, die anschließend in aufwendigeren Zell- und Organoidstudien untersucht werden können. Ein Verständnis der Auswirkung der Mutation und des Wirkmechanismus der Modulatoren hilft einem rationalen Wirkstoffdesign für alle zukünftigen Patienten mit eben jenen seltenen Mutationen.

Welche Experimente führen Sie zur Beantwortung Ihrer Fragen durch?

Zur Beantwortung dieser Fragestellungen soll eine Bibliothek von CFTR-Fragmenten (Transmembranhairpins) erstellt werden. Transmembranhairpins stellen einerseits die kleinsten Faltungseinheiten der CFTR-Transmembrandomänen dar, andererseits lassen sich diese in ausreichend großen Mengen und Reinheiten im Labor herstellen. Die Bibliothek wird verschiedene Patientenmutationen enthalten und deren Effekt auf die Struktur in Modellmembranen wird mit biophysikalischen Methoden (FRET)[5] untersucht werden. Durch genaue Kontrolle der Lipidmodellmembran kann auch der Weg von der Herstellung in der Zelle bis zur Zellmembran nachgebildet werden. In ersten Arbeiten zeigten wir die prinzipielle Machbarkeit dieser Untersuchung und den Effekt des Modulators Lumacaftor. In diesem Projekt werden wir unsere Messmethoden automatisieren, so dass wir viele Mutationen und zahlreiche Wirkstoffe und Wirkstoffkombinationen in kürzerer Zeit untersuchen können. Somit werden wir Instrumente und Software entwickeln und anschließend mit der erstellten Bibliothek testen.

Vielen Dank für das Interview und viel Erfolg bei dem Projekt!
Wir werden das für drei Jahre angesetzte Projekt mit unserer Berichterstattung weiter begleiten.

Das Interview führte Carola Wetzstein.

Erläuterungen:

[1]Transmembrandomänen des CFTR-Proteins sind die Bereiche des CFTR-Proteins, die die Zellmembran durchziehen. Transmembranhairpins nennt man dabei die kleinsten Faltungseinheiten der CFTR-Transmembrandomänen.
[2]Von fehlender Expression spricht man, wenn von einem vorhandenen Gen kein Protein gebildet wird.
[3]Missense-Mutationen sind Mutationen, wo der Fehler an einer Stelle im Gen bewirkt, dass eine falsche Aminosäure in das Protein eingebaut wird.
[4]Organoide sind im Labor aus wenigen Zellen gezüchtete „Mini-Organe“, an denen Medikamente in sogenannten Organoidstudien getestet werden können.
[5]FRET ist eine spezielle Art der Fluoreszenzmikroskopie, mit der molekulare Strukturen untersucht werden können.